第9章光的偏振

一、偏振光與自然光第一節(jié)偏振光概述1、自然光

具有一切可能的振動(dòng)方向的許多光波之和。

特點(diǎn)：振動(dòng)方向無(wú)規(guī)則性。表示：可用兩個(gè)振動(dòng)方向垂直的、強(qiáng)度相等的、位相關(guān)系不確定的光矢量表示。

自然光第九章光的偏振和偏振器件偏振光方程：2、偏振光：

光矢量的振動(dòng)方向和振幅大小有規(guī)則變化的光。

線偏振光：光矢量方向不變，其大小隨位相變化。圓偏振光：光矢量大小不變，其方向繞傳播方向均勻轉(zhuǎn)動(dòng)，且矢量末端軌跡為圓。

橢圓偏振光：光矢量大小和方向都在有規(guī)律地變化，且矢量末端軌跡為橢圓。偏振光分類

線偏振光振動(dòng)平面：光矢量與傳播方向組成的平面稱為線偏振光的振動(dòng)平面。zxy沿x方向振動(dòng)，大小發(fā)生變化

圓偏振光左旋右旋z振動(dòng)方向改變，大小不變

橢圓偏振光左旋橢圓光右旋橢圓光z振動(dòng)方向和大小都變，軌跡為橢圓自然光部分偏振光3、部分偏振光：自然光在傳播過(guò)程中，由于外界的作用造成振動(dòng)方向上強(qiáng)度不等，使某一方向上的振動(dòng)比其它方向上的振動(dòng)占優(yōu)勢(shì)。表示：部分偏振光=完全偏振光+自然光完全偏振光Ip=Imax-Imin偏振度：二、偏振光的產(chǎn)生

主要方法：

1、利用反射和折射2、利用二向色性3、利用晶體雙折射偏振分光鏡

ZnS(n2)冰晶石(n1)45。n3制作原理n3膜層厚度層數(shù)1、由反射和折射產(chǎn)生偏振光入射角滿足布儒斯特角二向色性：各向異性的晶體對(duì)不同振動(dòng)方向的偏振光有不同的吸收比。各向異性的晶體對(duì)光的吸收本領(lǐng)隨波長(zhǎng)改變（選擇吸收特性）外，還隨光矢量相對(duì)晶體的方位而改變。2、由二向色性產(chǎn)生偏振光人造偏振片：H偏振片和K偏振片三、偏振光的檢測(cè)和馬呂斯定律如果一入射線偏振光的電矢量振動(dòng)方向和檢偏器的透光軸成q角，則通過(guò)檢偏器之后的光強(qiáng)I為：起偏器：用來(lái)產(chǎn)生偏振光的偏振器件。檢偏器：用來(lái)檢驗(yàn)偏振光的偏振器件。EcosqEsinqy（透光軸方向）xq消光比：最小透射光強(qiáng)和最大透射光強(qiáng)之比。消光比與最大透射比（透過(guò)的最大光強(qiáng)之比）——評(píng)價(jià)偏振器性能的主要參數(shù)。消光比小，最大透射比大，偏振器質(zhì)量高驗(yàn)證馬呂思定律的實(shí)驗(yàn)裝置：自然光起偏器檢偏器光電接收器P1P2Ecos1.定義當(dāng)一束單色光在各向異性晶體的界面折射時(shí)，可以產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象稱為雙折射。2.尋常光（o光）和非尋常光（e光）兩束折射光中，遵守折射定律的光稱為尋常光（o光）；另外一束不遵守折射定律的光稱為非尋常光（e光）。均為線偏振光說(shuō)明：1〕o光和e光與晶體密不可分2〕折射定律的含義一、晶體的雙折射現(xiàn)象第二節(jié)光在晶體中的傳播雙折射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：1669丹麥科學(xué)家巴塞林納斯二、晶體特性方解石晶體（CaCO3）鈍隅折射定律有兩個(gè)含義：A.入射角和折射角的關(guān)系；B.入射光線和折射光線與法線同在一個(gè)平面。1、光軸：在雙折射晶體中存在一個(gè)特殊的方向，當(dāng)光束在這個(gè)方向傳播時(shí)不發(fā)生雙折射，此方向稱為晶體的光軸。在光軸方向上，o光和e光都遵守折射定律。而且：

no=ne三、光線垂直入射時(shí)的雙折射現(xiàn)象a)晶體表面平行于光軸b)晶體表面平行于光軸c)晶體表面傾斜于光軸d)晶體表面垂直于光軸(a)光軸eeAoAAoA入射光O’光線垂直入射時(shí)的雙折射現(xiàn)象(晶體表面平行于光軸)EOE’（b）光軸eeAoAAoA入射光O’光線垂直入射時(shí)的雙折射現(xiàn)象(晶體表面平行于光軸)EO(c)光軸eeAoAAoA入射光E’O’光線垂直入射時(shí)的雙折射現(xiàn)象EOAA’(d)光軸eeAoAAoA入射光O’光線垂直入射時(shí)的雙折射現(xiàn)象(晶體表面垂直于光軸)EOE’一、偏振器件尼科耳棱鏡（W.Nicol）材料：方解石1.偏振起偏棱鏡自然光入射，其中一束線偏振光發(fā)生全反射，只出射另一束偏振光第三節(jié)晶體偏振器件作用：產(chǎn)生偏振光或檢測(cè)偏振光。加拿大樹膠O光全反射，透出的偏振光的光矢量與入射面平行—e光格蘭－湯姆遜（Glan-Thompson）棱鏡光垂直于棱鏡端面入射時(shí)方解石直角棱鏡膠合劑e光o光樹膠折射率接近非尋常光折射率當(dāng)入射光束不是平行光或平行光非正入射時(shí)加拿大樹膠長(zhǎng)寬比：孔徑角：長(zhǎng)寬比：孔徑角：孔徑角：甘油長(zhǎng)寬比：格蘭－付科（Glan-foucault）棱鏡空氣薄層優(yōu)點(diǎn)：適用于紫外波段，能承受強(qiáng)光照射缺點(diǎn)：孔徑角小，透射比不高e光o光渥拉斯頓棱鏡（Wollaston）：

利用兩個(gè)正交的光軸分解光。材料：冰洲石，石英2.偏振分束棱鏡——也稱為雙像棱鏡ff改變振動(dòng)方向互相垂直的兩束線偏振光的傳播方向，獲得兩束分開的線偏振光ABCD洛匈棱鏡材料：石英只允許光從左方射入棱鏡！！二、波片（位相延遲器）作用：o光和e光通過(guò)波片時(shí)的光程差與位相差：D為波片厚度。使兩個(gè)振動(dòng)方向相互垂直的光產(chǎn)生位相延遲。制作：用單軸透明晶體做成的平行平板，光軸與表面平行。自然光起偏器檢偏器PAxy波片光軸快軸和慢軸：快軸：稱晶體中傳播速度快的光矢量方向?yàn)榭燧S。慢軸：稱晶體中傳播速度慢的光矢量方向?yàn)槁S。波片最常用的材料：云母，石英，聚乙烯醇薄膜則稱該波片是1/4波片，1/4波片的最小厚度：若當(dāng)n0>ne時(shí)，e光超前，波片的快軸為e矢量方向。1、/4波片性質(zhì)：1)線偏振光入射時(shí)，出射光為橢圓偏振光2)與快慢軸都成45度線偏振光入射，出射光為圓偏振光3)可以使圓偏振光或橢圓偏振光變成線偏振光4)對(duì)某一特定波長(zhǎng)的光產(chǎn)生某一特定的相位變化5)自然光入射，出射光為自然光O光和e光產(chǎn)生的光程差稱該晶片為二分之一波片。2、/2波片性質(zhì)：1）橢圓偏振光入射時(shí)，出射光仍為橢圓偏振光，只是旋向相反；2）線偏振光入射時(shí)，出射光仍為線偏振光。若入射的線偏振光與快（慢）軸夾角為，出射光的振動(dòng)方向向著快（慢）軸轉(zhuǎn)動(dòng)了2。線偏振光通過(guò)半波片后光矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)入射時(shí)快（慢）軸出射時(shí)3、全波片稱該晶片為全波片。性質(zhì)：1）不改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)；2）只能增大光程差。一、偏振光的變換第四節(jié)偏振光的變換和測(cè)定1、橢圓偏振光的獲得方法：采用起偏器和/4波片從自然光中獲得自然光線偏光橢圓偏振光?波片xy快軸起偏器2、偏振光的檢驗(yàn)

方法：利用位相延遲器和偏振器檢偏器橢圓偏振光部分橢圓偏光部分線偏光光強(qiáng)變化，但不消光。檢偏器橢圓偏振光部分線偏光部分橢圓偏光1/4波片有兩個(gè)消光位置轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器波片轉(zhuǎn)過(guò)45?光強(qiáng)不變光強(qiáng)變化，但不消光轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器二、偏振光的測(cè)定線偏振光的測(cè)定

含義：確定是否是線偏振光；測(cè)定線偏振光的振動(dòng)方向。出發(fā)點(diǎn)：馬呂斯定律半影式檢偏器：用以提高檢偏器方位的定位精度。PHAy半影式檢偏器工作原理xOAP1’P2’H1H2三、光偏振應(yīng)用

光的偏振調(diào)制利用光經(jīng)過(guò)各向異性物質(zhì)的雙折射現(xiàn)象。光彈效應(yīng)：某些非晶體材料通常情況下是各向同性的，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，當(dāng)受到外力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，當(dāng)外力除去時(shí)，雙折射隨之消失。光彈效應(yīng)測(cè)力計(jì)的基本結(jié)構(gòu)為使電流I和F成接近線性關(guān)系，光電測(cè)力計(jì)光路中放有若干云母片7，用以產(chǎn)生附加光程差。本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容回顧1.偏振光的定義與分類（線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、部分偏振光及偏振度）。2.偏振光的產(chǎn)生（利用反射和折射、利用二向色性、利用散射、利用晶體雙折射、馬呂斯定律和消光比）3.光在晶體中的傳播（晶體的雙折射現(xiàn)象、光線垂直入射晶體表面時(shí)的雙折射現(xiàn)象）。4.晶體偏振器件工作原理（偏振起偏棱鏡、偏振分束棱鏡、波片）。5.偏振光的變換、檢驗(yàn)和測(cè)定。2、o光和e光的主平面（單軸晶體）

o光主平面：o光和晶體光軸組成的面為o主平面。o光振動(dòng)方向垂直于o主平面?？偱c光軸垂直

e光主平面：e光和晶體光軸組成的面為e主平面。e光振動(dòng)方向位于e主平面。與光軸的夾角隨著傳播方向的不同而改變。3、主截面：由光軸和晶體表面法線組成。當(dāng)光線在主截面入射（不與光軸重合）時(shí)，在晶體內(nèi)o光和e光都在主截面內(nèi)，但no和ne不等。（o光和